- •А. П. Маругин
- •1. Основные элементы силовых электронных устройств
- •1.1. Силовые электронные ключи
- •1.2. Силовые диоды
- •1.2.1. Статические характеристики диода
- •1.2.2. Динамические характеристики диода
- •1.2.3. Защита силовых диодов
- •1.2.4. Основные типы силовых диодов
- •1.3. Силовые транзисторы
- •1.3.1. Основные классы силовых транзисторов
- •1.3.2. Статические режимы работы транзисторов
- •1.3.3. Динамические режимы работы силовых транзисторов
- •1.3.4. Обеспечение безопасной работы транзисторов
- •1.4. Тиристоры
- •1.4.1. Принцип действия тиристора
- •1.4.2. Статические вольт-амперные характеристики тиристора
- •1.4.3. Динамические характеристики тиристора
- •1.4.4. Типы тиристоров
- •1.4.5. Запираемые тиристоры
- •2. Схемы управления электронными ключами
- •2.1. Общие сведения о схемах управления
- •2.2. Формирователи импульсов управления
- •2.3. Драйверы управления мощными транзисторами
- •3. Пассивные компоненты и охладители силовых электронных приборов
- •3.1. Электромагнитные компоненты
- •3.1.1. Гистерезис
- •3.1.2. Потери в магнитопроводе
- •3.1.3. Сопротивление магнитному потоку
- •3.1.4. Современные магнитные материалы
- •3.1.5. Потери в обмотках
- •3.2. Конденсаторы для силовой электроники
- •3.2.1. Конденсаторы семейства мку
- •3.2.2. Алюминиевые электролитические конденсаторы
- •3.2.3. Танталовые конденсаторы
- •3.2.4. Пленочные конденсаторы
- •3.2.5. Керамические конденсаторы
- •3.3. Теплоотвод в силовых электронных приборах
- •3.3.1. Тепловые режимы работы силовых электронных ключей
- •3.3.2. Охлаждение силовых электронных ключей
- •4. Принципы управления силовыми электронными ключами
- •4.1. Общие сведения
- •4.2. Фазовое управление
- •4.3. Импульсная модуляция
- •4.4. Микропроцессорные системы управления
- •5. Преобразователи и регуляторы напряжения
- •5.1. Основные виды устройств преобразовательной техники. Основные виды устройств силовой электроники символически изображены на рис. 5.1.
- •5.2. Трехфазные выпрямители
- •5.3. Эквивалентные многофазные схемы
- •5.4. Управляемые выпрямители
- •5.5. Особенности работы полууправляемого выпрямителя
- •5.6. Коммутационные процессы в выпрямителях
- •6. Импульсные преобразователи и регуляторы напряжения
- •6.1. Импульсный регулятор напряжения
- •6.1.1. Импульсный регулятор с шим
- •6.1.2. Импульсный ключевой регулятор
- •6.2. Импульсные регуляторы на основе дросселя
- •6.2.2. Преобразователь с повышением напряжения
- •6.2.3. Инвертирующий преобразователь
- •6.3. Другие разновидности преобразователей
- •7. Инверторы преобразователей частоты
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Инверторы напряжения
- •7.2.1. Автономные однофазные инверторы
- •7.2.2. Однофазные полумостовые инверторы напряжения
- •7.3. Трёхфазные автономные инверторы
- •8. Широтно-импульсная модуляция в преобразователях
- •8.1. Общие сведения
- •8.2. Традиционные методы шим в автономных инверторах
- •8.2.1. Инверторы напряжения
- •8.2.2. Трехфазный инвертор напряжения
- •8.3. Инверторы тока
- •8.4. Модуляция пространственного вектора
- •8.5. Модуляция в преобразователях переменного и постоянного тока
- •8.5.1. Инвертирование
- •8.5.2. Выпрямление
- •9. Преобразователи с сетевой коммутацией
- •10. Преобразователи частоты
- •10.1. Преобразователь с непосредственной связью
- •10.2. Преобразователи с промежуточным звеном
- •10.3.1. Двухтрансформаторная схема
- •10.3.3. Схема каскадных преобразователей
- •11. Резонансные преобразователи
- •11.2. Преобразователи с резонансным контуром
- •11.2.1. Преобразователи с последовательным соединением элементов резонансного контура и нагрузки
- •11.2.2. Преобразователи с параллельным соединением нагрузки
- •11.3. Инверторы с параллельно-последовательным резонансным контуром
- •11.4. Преобразователи класса е
- •11.5. Инверторы с коммутацией в нуле напряжения
- •12. Нормативы на показатели качества электрической энергии
- •12.1. Общие сведения
- •12.2. Коэффициент мощности и кпд выпрямителей
- •12.3. Улучшение коэффициента мощности управляемых выпрямителей
- •12.4. Корректор коэффициента мощности
- •13. Регуляторы переменного напряжения
- •13.1. Регуляторы напряжения переменного тока на тиристорах
- •13.2. Регуляторы напряжения переменного тока на транзисторах
- •Вопросы для самоконтроля
- •14. Новые методы управления люминесцентными лампами
- •Вопросы для самоконтроля
- •Заключение
- •Библиографический список
- •620144, Г. Екатеринбург, Куйбышева ,30
5.2. Трехфазные выпрямители
В трехфазном однотактном выпрямителе с активной нагрузкой вентили работают поочередно по 2π/3 периода каждый, если не учитывать влияния на процесс коммутации вентилей индуктивных сопротивлений рассеяния обмоток трансформатора. В каждый заданный момент времени работает вентиль фазы, напряжение которой является наибольшим, так как катоды всех трех вентилей имеют одинаковый потенциал, практически равный потенциалу анода открытого вентиля (падением напряжения на вентиле пренебрегаем), по отношению к которому потенциалы анодов двух других вентилей отрицательны (рис. 5.2, а).
Точки а, b, с (см. рис. 5.2, б) называют точками естественной коммутации, в них происходит смена проводящих ток вентилей.
В промежутке времени от а до б работает вентиль V1 фазы а, так как напряжение фазы Uа при этом наиболее положительно; в промежутке bс работает вентиль V2 фазы b, так как напряжение Uв становится наиболее положительным, и т. д.
Таким образом, каждый вентиль в условиях естественной коммутации работает в течение 2π/3, или в течение одной трети каждого периода выпрямленного тока.
Среднее значение выпрямленного напряжения:
. (5.1)
Коэффициент пульсации:
g= 2/ (km)2 -1 =0,25. (5.2)
Однотактные трехфазные выпрямители применяют в выпрямителях средней мощности. Двухтактный трехфазный выпрямитель, в отличие от однотактного трехфазного выпрямителя, у которого вторичные обмотки трансформатора можно соединять только в звезду, позволяет соединять обмотки трансформатора как в звезду, так и в треугольник.
Рис. 5.2. Принципиальная схема (а) и временные диаграммы (б) трехфазного однотактного выпрямителя при работе на активную нагрузку
Это значит, что с помощью одного силового трансформатора, переключая вторичные обмотки со звезды на треугольник, можно получить два выпрямленных напряжения, отличающихся в 1,7 раз (рис. 5.3, а, б). Каждый вентиль работает в течение одной трети каждого периода, но, поскольку четные и нечетные вентили переключаются со сдвигом по фазе, то смена пар вентилей происходит каждую шестую долю периода.
Рис. 5.3. Принципиальная схема (а), временные диаграммы (б) двухтактного трехфазного выпрямителя по мостовой схеме Ларионова и принципиальная схема (в), временные диаграммы выпрямителя с уравнительным реактором
При работе выпрямителя на активную нагрузку выпрямленное напряжение
, (5.3)
где U2Л — линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора; U2ф— фазное напряжение вторичной обмотки.
Число фаз выпрямления т = 6, поэтому коэффициент пульсации
m = 2 (σ2 - 1) =0,057.
Обратное напряжение Uобр = 1,045 U0.
Среднее значение тока через вентиль Iср=I0/3.
Полная мощность трансформатора Pтр=1,05Р0.
По всем показателям схема Ларионова превосходит рассмотренные ранее схемы выпрямления, поэтому она является одной из основных схем для выпрямителей большой мощности.
Для мощных выпрямителей необходимо учитывать индуктивное сопротивление рассеяния ХL, которое вызывает уменьшение выпрямленного напряжения за счет длительности коммутации у, что следует учитывать при проектировании выпрямителей по схеме Ларионова и выбирать для нее силовой трансформатор с возможно меньшим индуктивным сопротивлением рассеяния XL.
Рассмотрим схему с уравнительным реактором. В ней число фаз выпрямления, так же, как и в схеме Ларионова, m = 6. Схема выпрямителя приведена на рис. 5.3, в. Она представляет собой два трехфазных выпрямителя со средней точкой, работающих параллельно через уравнительный реактор УР на общую нагрузку. Питание схемы осуществляется через трех обмоточный трансформатор, на каждом стержне которого расположено по две одинаковые вторичные обмотки. При этом в выпрямителе 1 вторичные обмотки подключены к анодам вентилей началами, а в выпрямителе 2 обмотки подключены к анодам вентилей концами. В результате соответствующие фазные напряжения двух вторичных обмоток трансформатора смещены относительно друг друга на 180°.
Уравнительный реактор представляет собой катушку с замкнутым магнитопроводом, имеющую две обмотки (рис. 5.3, в).
Схема с уравнительным реактором имеет ряд достоинств по сравнению с мостовой схемой:
- вдвое меньше среднее значение тока вентилей и меньше его действующее значение;
- более высокий КПД при малых значениях выходных напряжений, так как ток протекает последовательно только через один вентиль;
- удобное охлаждение вентилей, которые могут быть установлены на один общий охладитель.
Из временной диаграммы видно, что напряжение на нагрузке пульсирует с шестикратной частотой по отношению к частоте сетевого напряжения.
Среднее значение выходного напряжения
. (5.4)
В результате получаем такое же соотношение, как и для трехфазной схемы с нулевым выводом.
Среднее значение тока нагрузки является суммой средних значений токов каждой составляющей схемы: Id = Id1 + Id2, но каждый вентиль трехфазной схемы проводит ток в течение третьей части периода.
Временные диаграммы тока нагрузки id, выходных токов каждого из выпрямителей id и ia, а также ток одного из вентилей ia показаны на рис. 5.4, в, г. Изменение напряжения на уравнительном реакторе иу и переменная составляющая тока (уравнительного тока Iур) показаны на рис. 5.4, б.
Рис. 5.4. Временные диаграммы токов нагрузки
Как отмечалось выше, напряжение на UУР является разностью мгновенных значений фазных напряжений (заштрихованные участки на рис. 5.4, а).
Это напряжение изменяется по синусоидальному закону с трехкратной частотой по отношению к питающему напряжению. Из временных диаграмм следует:
UУРmax . (5.5)
Под действием этого напряжения протекает уравнительный ток, значение которого ограничено индуктивным сопротивлением реактора (на схеме контур этого тока показан стрелками). В контур этого тока не входит нагрузка. Уравнительный ток отстает от напряжения на реакторе на угол π/2 и его амплитуда:
IУРmax =, (5.6)
где fc — частота питающего (сетевого) напряжения; Хр— индуктивное сопротивление УР; Lyp — индуктивность реактора.
Этот ток накладывается на ток вентиля, значение которого определяется током нагрузки, он будет пульсировать на интервале проводимости вентиля даже при идеальном сглаживании тока нагрузки (рис. 5.4, г).
В первичную обмотку трансформатора трансформируется ток, протекающий через вторичные обмотки, находящиеся на одном и том же стержне магнитопровода. В результате ток вторичной обмотки трансформатора повторяет форму тока вентиля (рис. 5.4, г), тогда как импульс первичного тока состоит из двуполярных импульсов с длительностью каждого из них, равной 2π/3 (рис. 5.4, д).
Расчеты показывают, что типовая мощность УР Рур = 0,071 Pd..
Уравнительный реактор обычно располагается в одном кожухе с сетевым трансформатором, поэтому типовая мощность сетевого трансформатора Рт совместно с типовой мощностью УР
PT = (l,26 + 0,071) Pd..
Сравнивая рассматриваемую схему с трехфазной схемой с нулевым выводом, можно отметить следующие особенности:
• выходное напряжение имеет шестикратные пульсации, тогда как каждая из составляющих схем работает в трехфазном режиме с длительностью проводящего состояния вентилей X = 120°;
• хорошо используются вентили, так как они проводят ток в течение 1/3 периода;
• хорошо используется трансформатор, так как его типовая мощность близка к единице;
• в трансформаторе отсутствует поток вынужденного намагничивания при любом способе соединения первичных обмоток, так как всегда одновременно токи проводят два вентиля, принадлежащие разным фазам, а токи вторичных обмоток, находящихся на одном стержне магнитопровода трансформатора, обтекаются токами в разные стороны, создавая знакопеременный поток, что исключает наличие постоянной составляющей магнитного потока в магнитопроводе трансформатора;
Схема с уравнительным реактором используется в преобразователях с большой величиной выходных токов (1000 А и выше).